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1、 熔模铸造用壳型铸造的研究进展琼斯*，C. Yuan IRC 在材料的高性能，伯明翰大学 Edgbaston B15 2TT，英国摘要 液态金属的铸造生产固体物体是一个制造过程，已经实行了 5000 多年，投资铸造是最古老的已知金属成型方法之一。该技术本身具有巨大的优势，在生产的质量成分和精度，多功能性和完整性的主要好处。因此，该工艺是形成多种金属成分的最经济的方法之一。环境和经济的压力，但是，导致行业需要改善目前的铸造质量，降低制造成本和探索新的市场的过程。优化的机械性能和物理性能的陶瓷外壳将是实现这些目标的基础。本文将总结目前正在实施的陶瓷的发展和探索壳性能的改进方法。.关键词：熔模铸造；
2、胶体；聚合物；有机纤维；绿色强度；Autoclav1.介绍 熔模铸造过程涉及使用消失模铸件生产工程。这些原则可以追溯到公元前 5000 年（公元前 2 年） ，当时早期的人类采用这种方法来制造基本工具。其次是使用首饰艺术产品在第二次世界大战的到来看到了发展航空航天和随后的工程部件世纪。长期投资铸造来自移动陶瓷料浆特性的使用，或投资形成一个非常光滑的表面模具。这些被复制从精确的图案，并依次传输到铸造。熔模铸件尺寸准确率允许组件被产生，是一种比锻造或加工更便宜的选择，因为废料最少。熔模铸造陶瓷壳模的生产是整个工艺的关键环节。使用陶瓷外壳模具生产投资铸件的基本步骤如图 1 所示。首先，多组分浆料制备
3、由细耐火填料系统和胶体粘合剂系统。一个模式，然后浸入蜡浆，撒上粗灰泥干燥耐火材料。灰泥的目的是为了减少涂层的干燥应力，通过引入一些应力集中中心，从而减少局部干燥应力的大小。的灰泥二主要目的是提出一个粗糙的表面，从而促进初级涂料和备用或次级投资之间的机械结合。当主外衣套（空气干燥直到粘合剂凝胶） ，装配系统浸入二浆粉刷到壳厚度的要求，建立了。的灰泥颗粒大小为外套增加保持最大模具渗透提供批量模具增加。各涂层之间彻底硬化过程。因此，投资铸造模具由个别层的细耐火材料和粒状耐火材料由粘合剂已被设置为刚性凝胶在一起举行。在改变每个层的组成中存在灵活性。不同的方法可以用来去除蜡模式，通常蒸汽蒸压釜，留下一个
4、空壳。发射的是炮弹和充满金属液，凝固壳内。铸造后，陶瓷壳通过机械或化学方法除去以获得零件。熔模铸造方法已越来越多地被用于航空航天工业生产部件和被认为是成功的单晶涡轮叶 片生产，随着环境保护法的出台，陶瓷外壳材料的相关问题日益加剧。图 1。熔模铸造的基本原理。1992，这限制了从工艺允许的排放量，并导致在英国工业增加使用水基炮弹。不同的醇基粘合剂、水性胶体化学和需要去除水分凝胶。涂层的干燥时间各有不同，2 和 24 h 取决于涂层被施加导致几天满壳的生产时间。因此它已成为当务之急，投资行业提高了铸件质量，降低了制造成本和探索过程中新的市场。优化的机械性能和物理性能的陶瓷外壳将是实现这些目标的基础
5、。2陶瓷壳体模具的关键要求熔模铸造的关键要求是：（1）足够的绿色（火）的强度来承受蜡无故障；（2）足够的强度来承受了铸造金属的重量；（3）弱到足以防止敏感的合金热裂；（4）高抗热震性防止开裂在金属浇注；（5）化学稳定性高；（6）与金属铸造改善表面光洁度低反应性；（7）充分铸型透气性和导热系数保持充分的热传递通过模具壁从而使金属冷却；和（8）较低的热膨胀到极限尺寸变化的模具墙和最终铸件内。这份名单决不是详尽无遗的。合金铸铁的范围、规模和复杂程度和具体要求的铸件的铸造部件，导致模具的性能和材料的一个数组，所有用于特定目的在铸造行业。在所有的情况下，潜在的因素是严格的要求很宽的范围内产生一个成功的铸
6、造。3. 电流陶瓷壳技术虽然一小部分英国铸造厂继续使用以酒精为基础的粘合剂，大企业多数是开关生产水性硅溶胶粘结剂的使用。这些粘合剂通常包含 20 和 30 W / W 非晶态 SiO2 颗粒之间，稳定 反离子 Na。的胶体在型壳耐火材料颗粒产生粘结相凝胶是由水分去除了,胶体粘结剂生产陶瓷模具具有非常低的绿色强度，这是容易开裂在蜡去除和处理,这是克服通过使用液体聚合物的添加，无论是基于胶乳的碱性系统或基于 PVA 的酸性粘合剂。聚合物提高陶瓷生坯强度有减小的趋势水平的wet-back”的水分，以前干的外套时添加新层。非晶网络高射击阶段形成一个强大的陶瓷结合剂（图 2） 。钠的使用促进了结晶石英，
7、生产具有足够的强度来承受金属铸造严寒没有完整性失效或损耗的陶瓷外壳。未改性的胶体粘结剂特别强，导致铸造过程中容易受热裂的问题。使用聚合物改性粘合剂降低燃烧强度，由于燃烧的有机相。这反过来又增加了陶瓷的渗透性，减少发生系统运行或非铸件的补。泥浆填充材料往往是 200 目，或结合 200 和 325 目达到初级的表面光洁度和足够的壳体强度在铸造过程中（图 3） 。氧化物如锆石、氧化铝、硅酸铝、莫来石和石英为主，虽然更多的异国情调的材料如氧化钇、氧化锆用于活性合金铸造。灰泥颗粒通常是铝硅酸盐为基础的经济。图 2。胶体粘合剂网络二次电子扫描电镜图像（一），周围耐火填料（b）和（c）在粉刷投资模颗粒。图
8、 3。小的填料颗粒的二次电子扫描电镜图像周围大粉刷耐火材料颗粒在投资模。陶瓷型壳的发展熔模铸造是一种耗费时间、劳动密集型的方法，在各种合金领域内生产各种复杂的、高附加值的部件。目前，模具采取 24 至 72 小时的生产由于需要使用水基胶体凝胶控制每层去除水分。如果没有足够的水分，前面的涂层将没有足够的机械强度，以允许另一涂层应用。干燥强度发展是在交货时间和生产成本降低的行业限制因素最显着的速度。尺寸精确的零件可以产生高或低的 volumes-a 更便宜的替代锻造或金属车削由于废料减到最小。随着劳动力的增加和加工成本与传统的金属加工方法，采用熔模铸造技术逐渐增大器件的生产经济激励增加了。由于技术
9、生产单片组件（无弱节点）在一个范围内的控制晶粒尺寸，铸造正在扩展到生产大型汽轮机叶片、齿轮和核反应堆部件。有限蠕变，尺寸稳定性和再现性是所有这些应用的关键要求。投资铸造组件显示所有这些属性，因此，该过程被采用作为首选的制造路线。不幸的是，较大的模具采用常规的硅胶生产结合陶瓷导致 UNAC 接受失败率高达 40% 。失败归因于两个主要原因：铸造胀和金属-模具相互作用。铸造凸块涉及大面积的外浇表面是凸的，而不是平坦的，被认为是由于模具壁运动后浇金属，但之前金属凝固。金属-模具的相互作用是金属和模具壁之间的反应，产生粗糙的铸造表面含有耐火材料的夹杂物。因此，科学的发展是通过对行业内的生产时间，减少了
10、需要，为铸件废品率的降低和金属模具反应还原为铸件的表面提高壳体性能改进。一个最近的专利减少壳生产时间和反应釜中的陶瓷模具性能增强的清蜡方法是有机纤维添加到陶瓷浆料的使用，从而否定了昂贵的液体聚合物添加剂的需要。纤维有一系列独特的性能，从而提高外壳的建设和使用较少的涂层等效陶瓷厚度和机械性能的可能性。的后续实验的目的是确定适当的关系的纤维改性的壳系统，并比较它们等效聚合物改性的炮弹，从而允许使用这样的系统的优点，用于指定的投资行业。5实验5.1陶瓷外壳规范在这项研究中的陶瓷壳被设计为代表的标准外壳用于铝合金铸件。表 1 中的泥浆规格包括表 2 中的壳结构规范和表 3 中的样品细节。5.2显微镜扫
11、描电子显微镜是用来查看结构陶瓷模具部分和纤维形态。所使用的仪器是一个 840a JEOL 扫描电子显微镜和扫电子显微镜 isi-100a。表 1 铝壳涂料浆料规范浆粘结剂硅聚合物的加 入纤维的加入填料难治性负荷 百分数 (%)(wt.%)(液体粘合剂)原理266n/a200 目锆石7%、75%锆石，25% 硅石 其一228n/a200 目铝硅酸盐57% 其二22n/a20200 目铝硅酸盐57%琼斯，C 元/材料加工技术杂志 135 (2003) 258265表 2 铝壳涂料外壳规格涂层灰泥浸排 水空 气速度干 时 间(s)时 间(s)(m s 1)时 间(h) 原理50/80 煅烧30600
12、.42瓷土4其 一30/80 煅烧 瓷土306031 .5其二30/80 煅烧 瓷土306031 .5其三30/80 煅烧 瓷土306031 .5其四30/80 煅烧 瓷土306031 .5密封306032 4表 3 铝壳样品规范样品规范壳盖1聚 合物原理 一 其一 5.3.强度测量注蜡棒作为陶瓷外壳成型根据第 2 节规定的规格。将壳脱蜡 8 酒吧 4 分钟后，其次是一个控制增压循环在 1 酒吧/分钟的测试片，约 20 毫米 80 毫米切割用砂轮。按照 BS 1902 进行测试。样品的测试是在 5 kN 载荷细胞 Instron 试验设施在三点弯曲模式进行。使用的负载率为 1 毫米/分钟十字头
13、速度，与外部跨度为 70 毫米。5.4.渗透性测量0 毫米防渗莫来石棒，在直径 40 毫米的乒乓球一直重视，作为陶瓷外壳成型根据第 2节规定的规格（图 4） 。干燥后的塑料球，烧毁 700 8C 5 分钟在一个不超过 3 度/分钟。壳样品然后烧在 1000 度 60 分钟在 10min，检测加热率按照 BS 1902 进行升温速率：部分10.2:1994 在 800试验温度。6.结果与讨论6.1.有机纤维的添加图 4 示出的有机纤维添加的结构和形态。加入尼龙，与纤维直径约为 20 毫米和 1 毫米的长度，使 50 的纵横比。图 6 显示一个高倍显微镜详细介绍了纤维表面。值得注意的是尼龙表面的相
14、对平稳的性质，将机械力的应用过程中对纤维拔出相对缓和的影响。图 4.经陶瓷壳包覆的透气性试件示意图。6.2.陶瓷厚度的比较表 4 和图 7 中的聚合物壳厚度的聚合物改性和纤维改性壳系统实现的比较可以看出。纤 维的使用增加了 表 4 铝壳样品规范壳规范 n现状样品厚度St. dev.样品数目(mm)s (mm)1聚合物壳使用104.60.26 2纤维壳使用105.310.39图 6.尼龙纤维增塑的高倍率二次电子扫描电镜图像。图 7。图像突出纤维改性浆料制备厚度的增加（壳体 2）。 0.71 毫米的厚度（15%）在原发性 4 层外壳打造，这相当于减少继发的外套需要产生一个等效厚度数量的能力。这有显
15、着的生产时间和材料成本的影响时，生产投资壳。6.3.强度的比较的优势在壳样品在三点弯曲模式房间温度达到一个比较见表 5。外壳 1 的高湿强度是聚合物含量的直接结果，这是由强度降低，当样品在 1000 度发射和聚合物燃烧反映。令人惊讶的是，纤维增强陶瓷具有较低的绿色强度比聚合物改性的系统和等效燃烧强度，表明纤维不影响绿色强度的方式的标准的复合材料。表 5 壳体试样的强度结果 壳样品现状模量St. dev. s 破裂(MPa)壳 1壳使用7.80.7 壳 1壳废除4.80.3 壳 2壳使用4.70.4 壳 2壳废除4.70.5然而在实践中，用纤维添加剂，生产，模具不易釜开裂提出更高的生坯强度。承载
16、能力进一步比较可以使用调整后的断裂载荷达到（AFL）,AFL 的定义是要突破常规 10 毫米宽的试片在 70 毫米跨负载。结果如表 6 所示。可以看出，聚合物体系的承载能力仍略高于模时不。点火时，纤维改性系统具有较高的承载能力，即使在这些温度下，聚合物和有机纤维会烧掉。AFL 表明纤维系统会产生很小的不同，聚合物改性系统使它成为一个可行的选择在三点弯曲强度影响陶瓷外壳。在绿色纤维为基础的样品的表观强度较低，可能是由于选择的测试系统的结果。大多数高压釜壳开裂和损坏发生在组件的边缘，如后缘和尖角，减少壳的建立和高应力结果在陶瓷故障,进一步的工作应包括使用一个专门设计的边缘测试，以确定在最脆弱的薄的部分和边缘的模具的外壳的承载能力。6.4。解雇渗透率比较在铸造过程中，将液态金属高温浇注到陶瓷模具中，并允许冷却。模具本身表 6 壳体试样的修正断裂载荷强度 壳样品现状调整St. dev. 断裂负荷(N)s (N)壳 1壳使用16.61.9 壳 1壳废除101.2 壳 l2壳使用13.81.8 壳 2壳废除12.61.5 充满空气，这是流离失所的液体金属。这风叶腔迅速
